ЭФФЕКТИВНАЯ КОЛЛИМАЦИЯ СВЕТА С ПОМОЩЬЮ ОПТИЧЕСКОГО КЛИНА Российский патент 2014 года по МПК G02B27/30 G02B6/00 G02F1/133 

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Оптическим коллиматором является устройство, которое собирает лучи от точечного источника света, такого как электролампа или светоизлучающий диод, и заставляет эти лучи выходить параллельно из поверхности. Примеры коллиматоров включают линзы или сферические зеркала, встречающиеся в импульсной лампе или автомобильной фаре. В этих примерах имеется объем пространства между точечным источником и поверхностью, из которой выходит коллимированный свет. В некоторых средах использования это пространство может быть неудобным, поскольку оно может увеличивать габаритный размер оптического устройства, которое использует коллиматор.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Соответственно, в документе раскрыты различные варианты осуществления, которые относятся к оптическим коллиматорам. Например, в одном раскрытом варианте осуществления представлен оптический коллиматор, содержащий оптический волновод, имеющий первый конец, включающий в себя первый световой интерфейс, второй конец, противолежащий первому концу, видимую поверхность, которая включает в себя второй световой интерфейс, проходящий, по меньшей мере частично, между первым концом и вторым концом, и заднюю поверхность, противолежащую видимой поверхности. Видимая поверхность содержит первый критический угол внутреннего отражения по отношению к нормали видимой поверхности, и задняя поверхность конфигурируется, чтобы являться отражательной под первым критическим углом внутреннего отражения. Кроме того, концевой отражатель размещен на втором конце оптического волновода и включает в себя структуру многогранной линзы, содержащую множество граней, скошенных для обеспечения того, чтобы основная (составляющая большинство) часть видимой поверхности однородно освещалась при введении равномерно распределенного света в первый конец, а также для обеспечения того, чтобы основная часть введенного света выходила из видимой поверхности.

Это краткое описание сущности изобретения приведено, чтобы в упрощенной форме представить подборку понятий, которые дополнительно описываются ниже в подробном описании. Это краткое описание сущности изобретения не предназначено для идентификации ключевых признаков или существенных признаков заявленного изобретения, и также оно не предназначено, чтобы использоваться для ограничения объема заявленного изобретения. Кроме того, заявленное изобретение не ограничивается реализациями, которые разрешают какие-либо или все недостатки, отмеченные в любой части этого раскрытия.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг.1 - показ вариантов осуществления оптического устройства и оптического клина, позиционированного внутри оптического устройства.

Фиг.2 - схематичный вид в плане, показывающий вариант осуществления оптического клина.

Фиг.3 и 4 - показ траекторий лучей через поперечное сечение для варианта осуществления по Фиг.2.

Фиг.5 - показ схематичного увеличенного поперечного сечения концевого отражателя для варианта осуществления по Фиг.2.

Фиг.6 и 7 - показ траекторий лучей по Фиг.2 в виде путей через набор реплик (экземпляров-копий) для варианта осуществления по Фиг.2.

Фиг.8 и 9 - показ траекторий лучей через перспективный вид исполнения оптического клина, содержащего отражательные стороны.

Фиг.10 - показ варианта осуществления способа коллимирования света.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В документе раскрыты различные варианты осуществления оптических коллиматоров в форме клиновидных световодов, или оптических клиньев. Оптический клин является световодом, который проводит свет между одним световым интерфейсом на конце клина и другим световым интерфейсом на лицевой поверхности клина с помощью полного внутреннего отражения. В каждом из вариантов осуществления, раскрытых в документе, используется изломанный оптический путь, чтобы давать возможность свету расходиться «веером» до требуемого размера перед коллимацией, что может давать возможность уменьшения размера объема между источником света и поверхностью (например, лицевой поверхностью клина), где выходит коллимированный свет. Такие оптические клинья могут находить различные применения, включая, но неограничительно, такие как задняя подсветка для жидкокристаллического устройства отображения (LCD).

Предмет настоящего раскрытия теперь описывается в качестве примера и со ссылкой на конкретные иллюстративные варианты осуществления. На сопроводительных чертежах будет отмечено, что виды для иллюстративных вариантов осуществления могут быть вычерчены не в масштабе, и характеристические отношения для некоторых признаков могут быть увеличены, чтобы более легко понять выбранные признаки или взаимосвязи.

На Фиг.1 показан вариант осуществления оптической системы 10, которая может быть сконфигурирована, чтобы обеспечивать для контроллера 16 функциональность как отображения, так и ввода с помощью широкоформатной сенсорной поверхности 12 отображения. Контроллер 16 может быть любым устройством, сконфигурированным для предоставления данных отображения на оптическую систему и приема входных данных от нее. В некоторых вариантах осуществления контроллер может содержать весь или часть компьютера; в других вариантах осуществления контроллер может быть любым устройством, с возможностью взаимодействия связанным с компьютером через проводную или беспроводную линию связи. Контроллер 16 содержит запоминающее устройство 14 и процессор 15. Запоминающее устройство 14 может использоваться, чтобы хранить команды для исполнения процессором 15, включая подпрограммы для управления оптической системой 10.

Для обеспечения функциональности отображения, оптическая система 10 может быть сконфигурирована с возможностью проецировать видимое изображение на сенсорную поверхность 12 отображения. Для обеспечения функциональности ввода оптическая система может быть сконфигурирована с возможностью ввода с оцифровкой, по меньшей мере, частичного изображения объектов, помещенных на сенсорную поверхность отображения - пальцев, электронных устройств, бумажных карт, пищевых продуктов или напитков, например. Соответственно, оптическая система может быть сконфигурирована с возможностью освещать такие объекты и обнаруживать свет, отраженный от объектов. Таким образом, оптическая система может регистрировать позицию, опорную поверхность и другие характеристики любого подходящего объекта, помещенного на сенсорную поверхность отображения.

Оптическая система 10 включает в себя оптический клин 100, светонаправляющее устройство 20, световой клапан 22, диффузор 24 и источник 102 света. Источник 102 света и световой клапан 22 могут быть с возможностью взаимодействия связаны с контроллером 16 и сконфигурированы для обеспечения образа визуального отображения для сенсорной поверхности 12 отображения. Источник 102 света может быть любым источником света, сконфигурированным с возможностью излучать видимый свет, таким как один или несколько светоизлучающих диодов, например. Свет от источника 102 света проецируется через оптический клин 100 и направляется на световой клапан 22 через светонаправляющее устройство 20. В некоторых вариантах осуществления светонаправляющее устройство 20 может содержать тонкий слой из призм, сконфигурированных с возможностью направлять свет в направлении под прямым углом к световому клапану 22. Многочисленные светопропускающие элементы светового клапана 22 могут использоваться, чтобы модулировать свет от светонаправляющего устройства 20 по отношению к цвету и интенсивности. В некоторых вариантах осуществления световой клапан может содержать жидкокристаллическое устройство отображения, но также могут использоваться другие модулирующие свет устройства. Таким образом, источник света и световой клапан могут вместе создавать визуальное изображение. Визуальное изображение проецируется через диффузор 24 и тем самым предоставляется на сенсорную поверхность 12 отображения.

Оптическая система 10 дополнительно может быть сконфигурирована с возможностью обеспечивать функциональность ввода для контроллера 16. Соответственно, иллюстративная оптическая система включает в себя детектор 38, инфракрасные излучатели 72 и освещающий световод 74. Детектор 38 может содержать камеру, такую как чувствительную к инфракрасному излучению цифровую камеру, например, или любое другое подходящее устройство захвата изображения. Инфракрасные излучатели 72 могут содержать один или несколько инфракрасных светоизлучающих диодов, например, или любой другой подходящий источник света. Освещающим световодом может быть любая оптика, сконфигурированная с возможностью принимать ввод инфракрасного света в одной или нескольких входных зонах 76 и пропускать инфракрасный свет, отраженный от объектов, касающихся экрана устройства отображения, через выходную зону 78.

Например, инфракрасный свет может быть введен инфракрасными излучателями 72 во входную зону 76 освещающего световода 74. Инфракрасный свет может проходить через освещающий световод 74 с помощью полного внутреннего отражения и может рассеиваться наружу по сенсорной поверхности 12 отображения (например, благодаря рассеивающим элементам, не показанным, расположенным по сенсорной поверхности 12 отображения), пока не столкнется с одним или несколькими объектами, контактирующими с сенсорной поверхностью 12 отображения, например объектом 40. Порция инфракрасного света может отражаться от одного или нескольких объектов и выходить из освещающего световода 74 в выходной зоне 78. Инфракрасный свет может проходить от выходной зоны 78 через диффузор 24 и световой клапан 22 и сталкиваться с поверхностью оптического клина 100, который может быть сконфигурирован с возможностью направлять падающий инфракрасный свет на детектор 38. Однако будет понятно, что являются возможными многочисленные другие конфигурации освещения, и они находятся в рамках настоящего раскрытия.

Обращаясь далее к Фиг.2, оптический клин 100 может быть сконфигурирован с возможностью коллимировать свет от источника 102 света, размещенного рядом с тонким концом 110 оптического клина 100, так что коллимированный свет выходит из видимой поверхности 150 оптического клина 100, как показано траекториями лучей на Фиг.2. Термин "видимая поверхность" означает, что видимая поверхность 150 ближе к наблюдателю, чем задняя поверхность (не являющаяся видимой на Фиг.2), которая является противоположной видимой поверхности 150. Каждая из видимой и задней поверхностей ограничена сторонами 130 и 140, тонким концом 110 и толстым концом 120. На Фиг.2 видимая поверхность 150 обращена к наблюдателю страницы, и задняя поверхность скрыта этим видом оптического клина 100.

Оптический клин 100 сконфигурирован так, что световые лучи, введенные в световой интерфейс тонкого конца 110, могут расходиться веером по мере приближения к толстому концу 120, содержащему концевой отражатель 125. Световые лучи подаются на концевой отражатель 125 с помощью полного внутреннего отражения от видимой поверхности 150 и задней поверхности. В предпочтительном варианте осуществления концевой отражатель 125 является криволинейным с одинаковым радиусом кривизны с центром кривизны 200, и источник 102 света вводит свет в фокальной точке концевого отражателя 125, фокальная точка находится на одной второй радиуса кривизны. На толстом конце 120 каждый из световых лучей отражается от концевого отражателя 125 параллельно каждому из других световых лучей. Световые лучи проходят от толстого конца 120 в направлении тонкого конца 110, пока световые лучи не пересекут видимую поверхность 150 под критическим углом отражения видимой поверхности 150, и световые лучи выходят в виде коллимированного света. В альтернативном варианте осуществления концевой отражатель 125 может быть параболическим или иметь другую подходящую кривизну, чтобы коллимировать свет.

В других вариантах осуществления множество источников света может размещаться рядом с тонким концом 110 и вдоль него. Использование множества источников света может повысить яркость коллимированного света, выходящего из видимой поверхности 150, по сравнению с использованием единственного источника света. В таких вариантах осуществления, чтобы внести поправку на кривизну поля (изображения) и/или сферическую аберрацию, может быть желательным немного уменьшить стороны 130 и 140 оптического клина 100 с тем, чтобы источник света по отношению к любой стороне осевой линии 210 мог оставаться в фокальной точке концевого отражателя 125. Укорочение сторон 130 и 140 может сделать тонкий конец 110 выпуклым, как проиллюстрировано кривой 115. Подходящую кривизну можно найти путем использования алгоритма построения хода луча, чтобы прослеживать лучи под критическим углом отражения видимой поверхности 150 оптического клина 100 обратно через оптический клин 100, пока лучи не дойдут до фокальной точки вблизи тонкого конца 110.

На Фиг.3 и 4 показаны траектории лучей через схематичное поперечное сечение оптического клина 100. На Фиг.3 показан путь первого луча 300 через оптический клин 100, и на Фиг.4 показан путь второго луча 400 через оптический клин 100, причем лучи 300 и 400 представляют лучи, расположенные на противоположных сторонах конуса света, который вводится в тонкий конец 110 оптического клина 100. Как может быть видно на фигурах Фиг.3 и 4, луч 300 выходит из видимой поверхности 150 рядом с тонким концом 110 оптического клина 100, тогда как луч 400 выходит из видимой поверхности 150 рядом с толстым концом 120 оптического клина 100.

Лучи 300 и 400 выходят из видимой поверхности 150, если только лучи 300 и 400 пересекают видимую поверхность 150 под углом, меньшим или равным критическому углу внутреннего отражения по отношению к нормали видимой поверхности 150. Этот критический угол может называться в документе "первый критический угол". Аналогично, лучи отражаются внутренне в оптическом клине 100 при пересечении лучами видимой поверхности 150 под углом больше первого критического угла внутреннего отражения по отношению к нормали видимой поверхности 150. Кроме того, лучи отражаются внутренне в оптическом клине 100, когда лучи пересекают заднюю поверхность 160 под углом больше критического угла внутреннего отражения по отношению к нормали задней поверхности 160. Этот критический угол может называться в документе "второй критический угол".

Как пояснено более подробно ниже со ссылкой на Фиг.5, может быть желательным, чтобы первый критический угол и второй критический угол отличались, с тем чтобы свет, падающий на заднюю поверхность 160 под первым критическим углом, отражался обратно к видимой поверхности 150. Это может помочь препятствовать потере света через заднюю поверхность 160 и, следовательно, может повысить оптическую эффективность оптического клина 100. Первый критический угол является функцией показателя преломления для оптического клина 100 и показателя преломления материала, контактирующего с видимой поверхностью 150 (например, воздух или слой оболочки), тогда как второй критический угол является функцией показателя преломления оптического клина 100 и материала, смежного с задней поверхностью 160. В некоторых вариантах осуществления, таких как показаны на Фиг.3-4, слой оболочки 170 может накладываться только на заднюю поверхность 160, так что видимая поверхность 150 контактирует с воздухом. В других вариантах осуществления видимая поверхность 150 может содержать слой оболочки (не показан) с другим показателем преломления, чем у задней поверхности 160.

Любой подходящий материал или материалы могут использоваться в качестве слоев оболочки для достижения требуемых критических углов внутреннего отражения для видимой и/или задней поверхностей оптического клина. В варианте осуществления в качестве примера оптический клин 100 формируется из полиметилметакрилата, или PMMA, с показателем преломления 1,492. Показатель преломления воздуха составляет приблизительно 1,000. По существу, критический угол поверхности без оболочки составляет приблизительно 42,1 градуса. Далее, примерный слой оболочки может содержать Teflon AF (компания EI DuPont de Nemours & Co., Уилмингтон, штат Делавэр), аморфный фторполимер с показателем преломления 1,33. Критический угол поверхности PMMA с покрытием Teflon AF составляет 63,0 градуса. Будет понятно, что эти примеры описаны с целью иллюстрации и не подразумеваются ограничивающими каким-либо образом.

В других вариантах осуществления задняя поверхность 160 может включать в себя зеркало. В качестве неограничительных примеров зеркало может быть образовано наложением отражательного покрытия на заднюю поверхность 160 или помещением зеркала рядом с задней поверхностью 160. Таким образом, задняя поверхность 160 может отражать падающий свет, пересекающий заднюю поверхность 160. Если задняя поверхность 160 сконфигурирована для отражения некоторого или всего падающего света, задняя поверхность 160 может именоваться в документе "отражательная задняя поверхность". Неограничительные примеры отражательной задней поверхности включают заднюю поверхность, имеющую зеркальную поверхность, зеркало, помещенное рядом с задней поверхностью, заднюю поверхность, имеющую второй критический угол внутреннего отражения по отношению к нормали задней поверхности, причем второй критический угол отражения меньше первого критического угла отражения, или любую другую конфигурацию, в которой задняя поверхность является отражательной к внутренне падающему свету под первым критическим углом внутреннего отражения.

Форма оптического клина 100 и концевого отражателя 125 может быть сконфигурирована с возможностью обеспечить, чтобы основная часть видимой поверхности 150 была однородно освещенной при введении равномерно распределенного света в тонкий конец 110, а также обеспечить, чтобы основная часть введенного света выходила из видимой поверхности 150. Как упомянуто выше, оптический клин 100 является коническим по всей длине, так что лучи, введенные на тонком конце 110, проходят на концевой отражатель 125 с помощью полного внутреннего отражения. Концевой отражатель 125 содержит структуру многогранной линзы, сконфигурированную для уменьшения угла луча по отношению к нормали к каждой поверхности из видимой поверхности 150 и задней поверхности 160. Кроме того, уменьшающаяся толщина оптического клина 100 от толстого конца 120 к тонкому концу 110 обеспечивает, что углы луча уменьшаются относительно нормали к каждой поверхности, если лучи проходят к тонкому концу 110. Если луч падает на видимую поверхность 150 под углом меньше первого критического угла, луч будет выходить из видимой поверхности 150.

В некоторых вариантах осуществления источник 102 света может быть позиционирован в фокальной точке концевого отражателя 125. В таких вариантах осуществления концевой отражатель 125 может быть криволинейным с радиусом кривизны, который составляет две длины оптического клина 100. В варианте осуществления по Фиг.3-4 угол конусности оптического клина 100 сконфигурирован так, чтобы угол на толстом конце 120 и видимая поверхность 150 составляли прямой угол и угол на толстом конце 120 и задняя поверхность 160 составляли прямой угол. Если тонкий конец 110 находится в фокальной точке концевого отражателя 125, тонкий конец 110 составляет одну вторую толщины толстого конца 120. В других вариантах осуществления каждая из этих структур может иметь любую другую подходящую конфигурацию.

В изображенном варианте осуществления концевой отражатель 125 является сферически криволинейным от стороны 130 к стороне 140 и от видимой поверхности 150 к задней поверхности 160. В других вариантах осуществления концевой отражатель 125 может быть цилиндрически криволинейным с одинаковым радиусом кривизны от видимой поверхности 150 и задней поверхности 160 и центром кривизны, где видимая поверхность 150 и задняя поверхность 160 пересекутся, если продлены. Цилиндрически криволинейный концевой отражатель может работать на изгиб сильнее, чем сферически криволинейный концевой отражатель 125, что может быть выгодным в приложениях большого формата. Другие подходящие кривые могут использоваться для концевого отражателя 125, такие как параболические, например. Кроме того, кривизна концевого отражателя 125 в плоскости, перпендикулярной сторонам 130 и 140, может отличаться от кривизны концевого отражателя 125 в плоскости, параллельной сторонам 130 и 140.

Как упомянуто выше, может быть желательным, чтобы критические углы отражения для видимой поверхности 150 и задней поверхности 160 были различными. Это поможет препятствовать потере света через заднюю поверхность 160, как проиллюстрировано на Фиг.5, на которой показано схематичное увеличенное поперечное сечение концевого отражателя 125 из варианта осуществления оптического клина по Фиг.2-4. Концевой отражатель 125 содержит структуру многогранной линзы, содержащую множество граней, расположенных под углом относительно поверхности толстого конца 120. В множестве граней чередуются грани, обращенные к видимой поверхности 150, такие как грань 530, и грани, обращенные к задней поверхности 160, такие как грань 540. Концевой отражатель 125 соответствует общей кривизне, как описано выше, причем нормаль 542 концевого отражателя и нормаль 532 концевого отражателя проходят к центру кривизны. Каждая из множества граней имеет высоту и угол по отношению к нормали поверхности концевого отражателя. Например, одна из граней, обращенных к видимой поверхности 150, имеет высоту 538 и угол 536 относительно нормали 532 концевого отражателя и нормали 534 грани. В качестве другого примера, одна из граней, обращенных к задней поверхности 160, имеет высоту 548 и угол 546 относительно нормали 542 концевого отражателя и нормали 544 грани.

Высота каждой из множества граней может влиять на однородность и яркость коллимированного света, выходящего из видимой поверхности 150. Например, более большие грани могут создавать оптические пути, которые отличаются от идеального фокусного расстояния, каковое может вызвать полосчатость по Френелю. По существу, в вариантах осуществления, где такая полосчатость может вызывать проблемы, может быть желательным делать высоту каждой из множества граней менее 500 микрон, например, с тем чтобы такая полосчатость была менее заметной.

Подобным образом, угол каждой из множества граней также может влиять на однородность и яркость коллимированного света, выходящего из видимой поверхности 150. Луч 500 иллюстрирует, каким образом углы граней могут влиять на путь луча через оптический клин 100. Луч 500 вводится в тонкий конец 110, проходит через оптический клин 100 и достигает концевого отражателя 125. Половина луча 500 достигает грани 530, обращенной к видимой поверхности 150. Часть луча 500, достигающая грань 530, отражается в виде луча 510 к видимой поверхности 150. Луч 510 пересекает видимую поверхность 150 под углом, меньшим или равным первому критическому углу внутреннего отражения относительно нормали видимой поверхности 150, и таким образом выходит из видимой поверхности 150 в виде луча 512.

Другая половина луча 500 достигает грань 540, обращенную к задней поверхности 160. Порция луча 500, достигающая грань 540, отражается в виде луча 520 к задней поверхности 160. Вследствие различия между критическими углами видимой поверхности 150 и задней поверхности 160 луч 520 пересекает заднюю поверхность 160 под углом, который больше второго критического угла внутреннего отражения относительно нормали задней поверхности 160, и таким образом отражается в виде луча 522 к видимой поверхности 150. Луч 522 затем пересекает видимую поверхность 150 под углом, меньшим или равным первому критическому углу внутреннего отражения относительно нормали видимой поверхности 150, и таким образом выходит в виде луча 524. Таким образом, основная часть (и в некоторых вариантах осуществления, по существу весь) света, который отражается от концевого отражателя 125, выходит из видимой поверхности 150.

Вследствие света, раздельно отражаемого гранями, обращенными к видимой поверхности 150, и гранями, обращенными к задней поверхности 160, перекрытие наложенных первого и второго изображений, организованных в ориентации «голова-хвост», может формироваться у видимой поверхности 150. Степень перекрытия между этими изображениями может определяться согласно углам граней 530 и 540. Например, два изображения являются полностью перекрывающимися в случае, если каждая грань имеет угол относительно нормали поверхности концевого отражателя в три восьмых от разности между углом в девяносто градусов и первым критическим углом отражения, как пояснено более подробно ниже. В этом случае по существу весь свет, вводимый в оптический клин 100, выходит из видимой поверхности 150. Изменение граней от этого значения уменьшает величину перекрытия между изображениями, так что отображается только одно или другое из двух изображений, где углы граней составляют 1/4 или 1/2 от разности между углом 90 градусов и первым критическим углом отражения. Кроме того, изменение углов граней от трех восьмых от разности между углом девяносто градусов и первым критическим углом отражения также обеспечивает, что некоторый свет выходит из тонкого конца оптического клина 100, а не из видимой поверхности 150. Там, где углы граней составляют 1/4 или 1/2 от разности между 90 градусами и первым критическим углом отражения, видимая поверхность также может быть однородно освещена, но половина света выходит из тонкого конца оптического клина 100 и, следовательно, теряется. Будет понятно, что в зависимости от требуемой среды применения может быть подходящим использовать углы граней, отличные от трех восьмых разности между углом девяносто градусов и первым критическим углом отражения, чтобы получить коллимированный свет. Такие среды применения могут включать, но не ограничиваются указанными, среды, в которых любые области неперекрывающегося света (который появится имеющим более низкую интенсивность относительно перекрывающихся областей) не находятся в поле зрения, наблюдаемого пользователем.

В альтернативном варианте осуществления структура многогранной линзы концевого отражателя 125 может содержать дифракционную решетку. Уравнение решетки может использоваться, чтобы вычислять угол дифракции для данного угла падения и данной длины волны света. Поскольку угол дифракции зависит от длины волны света, концевой отражатель, содержащий дифракционную решетку, может быть желательным, если вводимый свет является монохроматическим.

На Фиг.6 и 7 иллюстрируется прохождение света через оптический клин 100 в виде путей лучей через набор оптических клиньев, причем каждый оптический клин является репликой исполнения оптического клина 100, чтобы дополнительно проиллюстрировать идеи, показанные на Фиг.5. Трассировка лучей через набор реплик оптического клина является оптически эквивалентной прослеживанию пути луча внутри оптического клина. Итак, таким образом, каждое внутреннее отражение луча показано в виде прохода луча через границу от одного оптического клина к смежному оптическому клину. На Фиг.6 видимая поверхность показана в виде видимой поверхности 620 самого верхнего клина из набора оптических клиньев 600. Задняя поверхность показана в виде задней поверхности 630 самого нижнего клина из набора оптических клиньев 600. Толстые концы набора оптических клиньев 600 объединены, чтобы образовать являющееся приближенно кривой 640, центрированной относительно оси 610, где все поверхности сходятся. На Фиг.6 толстый конец каждого клина показан имеющим одинаковую общую кривизну. Однако будет понятно, что толстый конец каждого клина может иметь любую другую подходящую кривизну.

На Фиг.6 также изображены два луча света 650 и 660, расположенные на противоположных сторонах конуса света, который вводится в тонкий конец оптических клиньев набора 600. Для каждого луча 650 и 660 после отражения от концевого отражателя половина луча появляется вблизи толстого конца оптических клиньев набора 600 (и, следовательно, из представленного оптического клина), как показано сплошными линиями 652 и 662, и половина луча появляется из тонкого конца набора оптических клиньев, как показано пунктирными линиями 654 и 664. Лучи, вводимые под любым углом между этими двумя предельными, также будут расщепляться согласно многогранной структуре в концевом отражателе и выходят из видимой поверхности и задней поверхности оптического клина сходным образом. Лучи, выходящие из видимой поверхности 620, параллельные лучам 652 и 662, представлены затененной областью 602. Как упомянуто выше, будет понятно, что лучи, показанные в виде излучаемых через заднюю поверхность 630 оптического клина, вместо этого могут отражаться задней поверхностью и затем выходить из видимой поверхности, используя оболочку (не показано) на задней поверхности оптического клина, которая имеет более низкий показатель преломления, чем оболочка (не показано), используемая на видимой поверхности оптического клина. Таким образом, по существу весь свет, который вводится в тонкий конец такого оптического клина, может излучаться от видимой поверхности оптического клина.

Чтобы видимая поверхность была однородно освещенной (например, где изображения, отраженные от граней 530 и 540, являются полностью перекрывающимися), луч, вводимый на тонком конце и проходящий горизонтально на концевой отражатель, совпадающий с нормалью концевого отражателя, отражается от грани, обращенной к видимой поверхности, и проходит в центр видимой поверхности, пересекая видимую поверхность под критическим углом для видимой поверхности. На Фиг. 7 показано схематичное описание пути такого луча через набор оптических клиньев 700. Луч 710 вводится на тонком конце 702 оптического клина и отражается от концевого отражателя 704 в виде луча 715. Луч 715 проходит к центру видимой поверхности 706, пересекая видимую поверхность 706 под критическим углом отражения 730 относительно нормали видимой поверхности 72. Сумма углов 732 и 734 является разностью угла 90 градусов и критического угла отражения 730. Когда тонкий конец оптического клина составляет одну вторую от толщины толстого конца оптического клина, центральная точка клина составляет три четвертых от толщины оптического клина. Используя параксиальное приближение, угол 732 составляет три четвертых разности угла 90 градусов и критического угла отражения 730. Горизонтальная линия 722 параллельна вводимому лучу 710, таким образом, угол 740 равен углу 732. Из закона отражения угол падения равен углу отражения, таким образом, угол грани может быть одной второй угла 740. Следовательно, для видимой поверхности, которая будет однородно освещена, каждая грань, обращенная к видимой поверхности, может образовать угол относительно нормали к поверхности концевого отражателя в три восьмых от разности между углом 90 градусов и критическим углом отражения 730, как упомянуто выше.

Любой подходящий источник света может использоваться для ввода света в оптический клин 100. Примеры включают, но не ограничиваются указанными, светоизлучающие диоды (LED). Будет отмечено, что свет излучается от открытого LED по модели ламбертовского источника. Однако для повышенной оптической эффективности относительно открытого LED может требоваться, чтобы свет вводился в оптический клин так, чтобы все лучи были под углами между двумя лучами 650 и 660, показанными на Фиг.6 сплошной линией, то есть под углами относительно плоскости оптического клина, которые являются между 0° и одной второй разности угла девяносто градусов минус критический угол. Следовательно, LED может быть помещен в фокальную точку концентратора, спроектированного так, чтобы его толщина на выходе приблизительно равнялась толщине тонкого конца и диапазон углов его эмиссии приблизительно равнялся диапазону, показанному лучами 650 и 660.

В некоторых вариантах осуществления множество источников света могут быть позиционированы рядом с тонким концом оптического клина и вдоль него, чтобы повысить интенсивность выходного коллимированного света. Выход из оптического клина 100 такого массива источников света может быть проанализирован путем анализа каждого из источников света и затем объединения результатов с использованием принципа суперпозиции. Это может помочь в проектном решении системы, которая выдает однородно коллимированный свет, используя такой массив источников света, как проиллюстрировано на Фиг.8 и 9, на которых показан схематичный вид путей лучей через примерный оптический клин. Оптический клин 100 на Фиг.8 и 9 содержит тонкий конец 110, толстый конец 120, стороны 130 и 140 и видимую поверхность 150 со средней линией 850. Толстый конец 120 включает в себя концевой отражатель 125. Стороны 130 и 140 могут быть отражательными. Источники света 802 и 902 размещаются смежными тонкому концу 110, равноотстоящими от средней линии 850.

На Фиг.8 конус света, ограниченный лучами 810 и 830, вводится на тонком конце 110 посредством источника света 802. Луч 830 пересекает концевой отражатель 125 и отражается в виде луча 840. Луч 810 пересекает концевой отражатель 125 и отражается в виде луча 820 после дополнительного отражения от стороны 140. Как показано на Фиг.8, коллимированный свет, излучаемый от видимой поверхности 150, может не быть однородным в этой конфигурации. Например, область между лучом 820 и стороной 140, помеченная "Отражение", может быть более яркой, чем область между лучом 820 и стороной 130 вследствие лучей, отраженных от стороны 140, излучаемых от видимой поверхности, в дополнение к лучам, отраженным непосредственно от концевого отражателя 125 в области между лучом 820 и стороной 140. Кроме того, область между стороной 130 и лучом 840, помеченная "Тень", может быть более тусклой, чем область между лучом 840 и стороной 140 вследствие тени, обусловленной лучом 840, отражаемым от стороны 130.

На Фиг.9 источник света 902 находится на том же расстоянии от средней линии 850, что и источник света 802, но позиционирован на противоположной стороне средней линии 850. Конус света, ограниченный лучами 910 и 930, вводится на тонком конце 110 источником света 902. Луч 930 пересекает концевой отражатель 125 и отражается в виде луча 940. Луч 910 пересекает концевой отражатель 125 и отражается в виде луча 920 после дополнительного отражения от стороны 130. Как описано выше относительно Фиг.8, коллимированный свет, излучаемый от видимой поверхности 150, может не являться однородным в этой конфигурации. Область между лучом 920 и стороной 130, помеченная "Отражение", может быть более яркой, чем область между лучом 920 и стороной 140. Кроме того, область между стороной 140 и лучом 940, помеченная "Тень", может быть более тусклой, чем область между лучом 840 и стороной 140.

При позиционировании источников света 802 и 902 на одинаковых расстояниях от средней линии 850, границы области "Отражение" на Фиг.8 могут приводиться в соответствие с границами области "Тень" на Фиг.9. Аналогично, границы области "Тень" на Фиг.8 могут приводиться в соответствие с границами области "Отражение" на Фиг.9. Области тени и отражения могут взаимно компенсировать друг друга, если яркость источников света 802 и 902 является сходной, так что свет, вводимый на тонком конце 110 каждым источником света, имеет сходную яркость и однородность.

На Фиг.10 показан примерный способ 1000 выполнения коллимации света с помощью оптического волновода. Оптический волновод может содержать первый конец, второй конец, противоположный первому концу и содержащий концевой отражатель, содержащий множество граней, видимую поверхность, проходящую между первым концом и вторым концом, и заднюю поверхность, противолежащую видимой поверхности. Видимая поверхность может иметь первый критический угол отражения, и задняя поверхность может иметь второй критический угол отражения, причем первый и второй критические углы отражения являются различными. В одном варианте осуществления оптическим волноводом является оптический клин по Фиг.2, где тонким концом оптического клина является первый конец оптического волновода и толстым концом оптического клина является второй конец оптического волновода. В альтернативном варианте осуществления оптический волновод может иметь постоянную толщину, например первый конец и второй конец имеют одинаковую толщину. Оптический волновод может включать в себя оболочку на видимой и/или задней поверхности с показателем преломления, который изменяется линейно между первым концом и вторым концом. Этот вариант осуществления будет действовать аналогично оптическому клину, когда свет вводится в первый конец оптического волновода. В еще одном варианте осуществления оптический волновод может иметь постоянную толщину, показатель преломления, изменяющийся линейно между первым концом и вторым концом, и оболочки на видимой и/или задней поверхности с постоянным показателем преломления. Этот вариант осуществления также будет действовать аналогично оптическому клину при введении света в первый конец оптического волновода.

Возвращаясь к Фиг.10, на этапе 1010 свет может быть введен в первый конец оптического волновода, и затем на этапе 1020 свет может передаваться на концевой отражатель с помощью полного внутреннего отражения. На этапе 1030 свет может внутренне отражаться от концевого отражателя. Свет, внутренне отраженный от концевого отражателя, может отражаться от первого множества граней и второго множества граней, каждая грань из первого множества граней имеет нормаль, которая указывает, по меньшей мере частично, на видимую поверхность, и каждая грань из второго множества граней имеет нормаль, которая указывает, по меньшей мере частично, на заднюю поверхность. Кроме того, в некоторых вариантах осуществления каждая грань из первого множества граней может иметь угол в три восьмых от разности между углом 90 градусов и критическим углом отражения и каждая грань из второго множества граней может иметь угол в три восьмых от разности между углом 90 градусов и критическим углом отражения. В других вариантах осуществления грани могут иметь другие подходящие углы, которые не вызывают неподходящие изменения интенсивности света.

Вследствие угла, под которым грани на концевом отражателе скошены, на этапе 1040 первая порция света может излучаться от видимой поверхности, причем первая порция света пересекает видимую поверхность под первым критическим углом отражения. На этапе 1050 вторая порция света может внутренне отражаться от задней поверхности под углом, равным первому критическому углу отражения, когда второй критический угол отражения меньше первого критического угла отражения. На этапе 1060 вторая порция света затем может излучаться от видимой поверхности после внутреннего отражения от задней поверхности.

Среди потенциальных применений такого плоскопанельного коллиматора является таковой, освещающий жидкокристаллическую панель. Жидкокристаллическое устройство отображения является недорогим способом отображения видео и содержит жидкокристаллическую панель, сзади которой помещается подсветка. Прошлые клиновые задние подсветки использовали тонкий прозрачный клин с источниками света вдоль толстого конца и пленки, направляющие свет через жидкокристаллическую панель к наблюдателю с тем, чтобы он мог видеть выведенное на экран изображение. Предпринимается значительное усилие для обеспечения того, чтобы излучение от задней подсветки являлось достаточно рассеянным с тем, чтобы отображаемое изображение можно было видеть из широкого поля зрения. Например, некоторые прошлые клинья заполнялись рассеивающими узлами. При рассеянном освещении, однако, трудно использовать жидкокристаллическую панель все-таки в отличие от традиционного дисплея.

Существуют многие приложения, где является желательным проецировать видеоизображение. Это может выполняться путем помещения линзы перед жидкокристаллическим экраном. Однако при рассеянном освещении линза должна быть большой и, следовательно, дорогой. Плоскопанельный коллиматор может быть тонким средством освещения небольшой жидкокристаллической панели или другого пространственного модулятора света коллимированным светом, который можно конденсировать через небольшую проекционную линзу. Если пространственный модулятор света является отражательным, как в случае цифрового микрозеркального устройства, не требуется светоделительный элемент или другое пространство для освещения. Следовательно, проекционную линзу можно подвести к модулятору света так близко, как требуется.

В некоторых приложениях может требоваться проецировать на экран изображение только в несколько миллиметров. Это может выполняться таким же образом, как солнце проецирует тень деревьев на землю: осветить большую жидкокристаллическую панель коллимированным светом, и его тень, например изображение, может формироваться на диффузоре, отстоящем на расстояние в несколько миллиметров от жидкокристаллической панели. Одно применение для этого находится там, где требуется наличие видеоизображения на каждой клавише клавиатуры. Если бы отдельный экран отображения подлежал формированию на каждой клавише клавиатуры, стоимость такого количества небольших отображений могла стать чрезмерной. Однако, используя подсветку коллимирующего оптического клина, как описано выше, прозрачные клавиши могут быть снабжены диффузионными поверхностями и помещены поверх жидкокристаллической панели с коллимированной подсветкой. Таким образом, изображение может проецироваться вплоть до каждой клавиши из различных областей одной большой, но дешевой панели.

Другое примерное применение для теневой проекции состоит в проекции изображения на диффузор, где пальцы или объекты, которые касаются диффузора, должны восприниматься с помощью инфракрасной камеры сзади. Устройства, такие как SURFACE корпорации Microsoft, разработанное и продаваемое корпорацией Microsoft Corporation, Редмонд, штат Вашингтон, содержат видеопроектор, инфракрасную лампу, камеру и диффузор. Проектор создает видеоизображение на диффузоре, и лампа освещает объекты поблизости так, что они выглядят размытыми, когда удалены от диффузора, но резкими в момент касания. Оптика обработки изображений может быть сделана тонкой путем направления камеры на диффузор через оптический клин, такой как исполнения, описанные выше. Если жидкокристаллическое устройство отображения освещается рассеянным светом, проецируемое изображение может быть пространственно отдельным от диффузора и, следовательно, может быть размытым. Следовательно, жидкокристаллическая панель может быть освещена коллимированным светом, как раскрыто выше, с тем чтобы видимое изображение без размытия формировалось в диффузоре. В некоторых вариантах осуществления панель для обеспечения коллимированного видимого освещения и детектирования инфракрасного изображения является одной и той же и концевой отражатель содержит грани под углом согласно данному раскрытию, которые отражают видимый свет, но пропускают инфракрасный свет, и вне их помещаются грани или эквиваленты, которые отражают инфракрасный свет и скошены так, чтобы формировать одиночное однозначно (идентифицируемое) изображение.

Будет понятно, что конфигурации и/или подходы, описанные в документе, являются иллюстративными по характеру и что эти конкретные варианты осуществления или примеры нельзя рассматривать в ограничительном смысле, поскольку возможны многочисленные изменения. Предмет настоящего раскрытия включает в себя все новые и неочевидные комбинации и подкомбинации различных процессов, систем и конфигураций и другие признаки, функции, действия и/или характеристики, раскрытые в документе, а также любой и все эквиваленты таковых.

Изобретение относится к коллиматорам, которые могут быть использованы для освещения жидкокристаллических экранов. Коллиматор выполнен в виде клиновидного оптического волновода, который имеет первый конец, второй конец, противолежащий первому концу. Причём первый конец тоньше второго конца. Также коллиматор содержит видимую поверхность, проходящую, по меньшей мере, частично между первым концом и вторым концом, и заднюю поверхность, противолежащую видимой поверхности. Видимая поверхность содержит первый критический угол внутреннего отражения, и задняя поверхность конфигурируется, чтобы являться отражательной под первым критическим углом внутреннего отражения. Кроме того, на втором конце оптического волновода размещен концевой отражатель, который содержит структуру многогранной (фасетчатой) линзы. Технический результат заключается в уменьшении габаритных размеров коллиматора. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Оптический коллиматор, содержащий:
оптический волновод, имеющий
первый конец, содержащий первый световой интерфейс;
второй конец, противоположный первому концу;
видимую поверхность, содержащую второй световой интерфейс, проходящий, по меньшей мере, частично между первым концом и вторым концом и имеющий первый критический угол внутреннего отражения по отношению к нормали видимой поверхности;
заднюю поверхность, противолежащую видимой поверхности, при этом задняя поверхность является конфигурируемой, чтобы быть отражательной для внутренне падающего света под первым критическим углом внутреннего отражения; и
концевой отражатель, расположенный на втором конце оптического волновода, причем концевой отражатель содержит структуру многогранной линзы, содержащую множество граней, скошенных для обеспечения того, чтобы основная часть видимой поверхности была однородно освещенной при введении равномерно распределенного света в первый конец, и также для обеспечения того, чтобы основная часть вводимого света выходила из видимой поверхности.

2. Оптический коллиматор по п.1, в котором первым концом оптического волновода является тонкий конец и вторым концом оптического волновода является толстый конец.

3. Оптический коллиматор по п.1, в котором концевой отражатель является сферически криволинейным.

4. Оптический коллиматор по п.1, в котором множество граней структуры многогранной линзы в концевом отражателе включает в себя множество граней, обращенных к видимой поверхности, и множество граней, обращенных к задней поверхности, причем каждая грань, обращенная к видимой поверхности, позиционируется рядом с гранью, обращенной к задней поверхности.

5. Оптический коллиматор по п.4, в котором каждая грань, обращенная к видимой поверхности, образует угол по отношению к нормали поверхности концевого отражателя в три восьмых от разности между углом 90 градусов и первым критическим углом.

6. Оптический коллиматор по п.4, в котором каждая грань, обращенная к задней поверхности, образует угол по отношению к нормали поверхности концевого отражателя, равный трем восьмым от разности между углом 90 градусов и первым критическим углом.

7. Оптический коллиматор по п.4, в котором каждая грань, обращенная к видимой поверхности, имеет высоту менее 500 микрон и каждая грань, обращенная к задней поверхности, имеет высоту менее 500 микрон.

8. Оптический коллиматор по п.1, в котором задняя поверхность включает в себя второй критический угол внутреннего отражения по отношению к нормали отражательной задней поверхности, причем второй критический угол отражения меньше первого критического угла отражения.

9. Оптический коллиматор по п.1, в котором видимая поверхность оптического волновода включает в себя оболочку.

10. Оптический коллиматор по п.1, в котором задняя поверхность оптического волновода включает в себя оболочку.

11. Оптический коллиматор по п.1, в котором задняя поверхность включает в себя зеркало.

12. Оптический коллиматор по п.1, в котором оптический волновод дополнительно содержит первую отражательную сторону и вторую отражательную сторону, при этом первая отражательная сторона противолежит второй отражательной стороне, причем каждая отражательная сторона проходит от первого конца до второго конца и от видимой поверхности до задней поверхности.

13. Способ выполнения коллимации света с помощью оптического волновода, при этом оптический волновод содержит первый конец, второй конец, противоположный первому концу и содержащий концевой отражатель, видимую поверхность, проходящую между первым концом и вторым концом, и заднюю поверхность, противолежащую видимой поверхности, при этом способ содержит:
введение света в первый конец оптического волновода;
подачу света на концевой отражатель с помощью полного внутреннего отражения;
внутреннее отражение света от концевого отражателя;
излучение первой порции света от видимой поверхности под критическим углом отражения;
внутреннее отражение второй порции света от задней поверхности под углом, равным критическому углу отражения, и затем излучение второй порции света от видимой поверхности после внутреннего отражения второй порции света от задней поверхности.

14. Способ по п.13, в котором отражение света от концевого отражателя содержит отражение света от первого множества граней и второго множества граней, причем каждая грань из первого множества граней содержит нормаль, которая указывает, по меньшей мере, частично на видимую поверхность, и при этом каждая грань из второго множества граней содержит нормаль, которая указывает, по меньшей мере, частично на заднюю поверхность.

15. Способ по п.14, в котором каждая грань из первого множества граней имеет угол в три восьмых от разности между углом 90 градусов и критическим углом отражения и каждая грань из второго множества граней имеет угол в три восьмых от разности между углом 90 градусов и критическим углом отражения.